(57)【要約】【課題】  溶融状態から単純に冷却するだけでポーラス構造が形成されるポーラスチタン合金を提供すること。【解決手段】    組成式が次式（１）で示されるポーラスチタン合金。  （ＴｉaＭ１bＭ２cＭ３d）x（ＴｉeＲ１f）1-x          （１） ここで、Ｍ１は、Ｖ，Ｃｒ，Ｃｏ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｎｉ，ＺｒまたはＹ。Ｍ２は、Ｃｕ，Ｐｄ，Ａｇ，ＰｔまたはＡｕ。Ｍ３は、Ａｌ，Ｚｎ，Ｇａ，Ｃｄ，Ｉｎ，Ｓｎ，Ｓｂ，Ｈｇ，Ｔｌ，Ｐｂ，ＢｉまたはＰｏ。Ｒ１は、Ｎｂ，Ｍｏ，Ｔｃ，Ｒｕ，Ｒｈ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｗ，Ｒｅ，ＯｓまたはＩｒ。ａ＝１００−（ｂ＋ｃ＋ｄ），ｂ＝１〜３０，Ｃ＝１〜３０，ｄ＝２〜２０，ｅ＝１００−ｆ，ｆ＝１０〜５０，ｘ＝０．１〜０．７（ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅおよびｆは原子パーセント）【選択図】          図５
2006083444.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
組成式が次式（１）で示されることを特徴とするポーラスチタン合金。
（ＴｉaＭ１bＭ２cＭ３d）x（ＴｉeＲ１f）1-x          （１）
ここで、Ｍ１は、Ｖ，Ｃｒ，Ｃｏ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｎｉ，ＺｒまたはＹ
Ｍ２は、Ｃｕ，Ｐｄ，Ａｇ，ＰｔまたはＡｕ
Ｍ３は、Ａｌ，Ｚｎ，Ｇａ，Ｃｄ，Ｉｎ，Ｓｎ，Ｓｂ，Ｈｇ，Ｔｌ，Ｐｂ，ＢｉまたはＰｏ
Ｒ１は、Ｎｂ，Ｍｏ，Ｔｃ，Ｒｕ，Ｒｈ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｗ，Ｒｅ，ＯｓまたはＩｒ
ａ＝１００−（ｂ＋ｃ＋ｄ），ｂ＝１〜３０，Ｃ＝１〜３０，ｄ＝２〜２０，ｅ＝１００−ｆ，ｆ＝１０〜５０，ｘ＝０．１〜０．７（ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅおよびｆは原子パーセント）
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、溶融状態から単純に冷却するだけでポーラス構造が形成されるポーラスチタン合金に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
金属または合金中にかなりの量の空孔（ポア、pore）を含むポーラス金属またはポーラス合金は、空孔のない金属または合金と比較して低密度および低弾性率を示し、また、ユニークな熱的、電気的、音響的特性等を示すことから、近年、機能用途、構造用途等の広範な分野で適用が試みられているものである。
【０００３】
とりわけ、人工骨のような硬組織代替生体用素材への適用は、優位であると考えられる。
【０００４】
たとえば、ポア内部で新たな骨組織が成長し、ポーラス金属またはポーラス合金と骨との接合は強固なものとなることが予想される。また、ポア部分を通じて体液が流れ、円滑に体内に伝達されると期待される。また、人工骨等の硬組織代替材料のヤング率は、約４０ＧＰａといわれている人骨のヤング率に等しいか、または極めて近い値であることが要求されるが、低ヤング率を示すポーラス金属またはポーラス合金は、まさにこの条件を満たす可能性を有している。
【０００５】
生体用素材に要求される第２の条件は、人体に対して為害作用を及ぼさないことである。チタン合金は、軽くて強く、かつ人体に無害であることから生体用素材として最適である。
【０００６】
しかしながら、チタン合金のヤング率は７０〜１１０ＧＰａの範囲にあり、鉄系素材と比較すれば約半分と低いものの、人骨よりも大幅に高い。したがって、生体用チタン合金の開発では、ヤング率をいかにして人骨に近づけるかが大きな課題となっている。
【０００７】
ポーラスチタン合金は、チタン合金のヤング率を低下させるための一つの解決策と考えられる。ポーラスチタン合金の製造方法には、（ａ）金属粉末を混合し、焼結して合金化するという粉末冶金法（たとえば、非特許文献１参照）、（ｂ）溶融金属または溶融合金にガスを吹き付け、溶融金属または溶融合金を攪拌して凝固させる方法（たとえば、特許文献１参照）、（ｃ）固体−ガス共融凝固反応を利用する方法（たとえば、非特許文献２参照）が知られている。
【非特許文献１】C.Y.Chung, C.L.Chu and S.D.Wang, Porous TiNi shape memory alloy with high strength fabricated by self-propagating high-temperature synthesis, Materials Letters, volume 58, Issue 11, April 2004, Pages 1683-1686
【特許文献１】Jin, I., Kenny, L. and Sang, H., Method of Producing Lightweight Foamed Metal, U.S. Patent No. 4,973,358, 1990
【非特許文献２】A.E.Simone and L.J.Gibson, The tensile strength of porous copper made by the GASAR process, Acta Materialia, volume 44, Issue 4, April 1996, Pages 1437-1447
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、以上の製造方法にはそれぞれに問題点が指摘される。すなわち、粉末冶金法は、製造プロセスが複雑であり、他の二つの方法と比較してコスト高になるという欠
点がある。液体反応を利用する方法は、吹き付けガスは液体金属と反応しないものを選択する必要がある上、反応を制御することが難しく、ポーラス構造は一般に不均一であるという欠点を有している。
【０００９】
本願発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、溶融状態から単純に冷却するだけでポーラス構造が形成されるポーラスチタン合金を提供することを解決すべき課題としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本願発明のポーラスチタン合金の組成は、次式（１）で示される。
【００１１】
（ＴｉaＭ１bＭ２cＭ３d）x（ＴｉeＲ１f）1-x          （１）
ここで、Ｍ１は、Ｖ，Ｃｒ，Ｃｏ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｎｉ，ＺｒまたはＹ
Ｍ２は、Ｃｕ，Ｐｄ，Ａｇ，ＰｔまたはＡｕ
Ｍ３は、Ａｌ，Ｚｎ，Ｇａ，Ｃｄ，Ｉｎ，Ｓｎ，Ｓｂ，Ｈｇ，Ｔｌ，Ｐｂ，ＢｉまたはＰｏ
Ｒ１は、Ｎｂ，Ｍｏ，Ｔｃ，Ｒｕ，Ｒｈ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｗ，Ｒｅ，ＯｓまたはＩｒ
ａ＝１００−（ｂ＋ｃ＋ｄ），ｂ＝１〜３０，Ｃ＝１〜３０，ｄ＝２〜２０，ｅ＝１００−ｆ，ｆ＝１０〜５０，ｘ＝０．１〜０．７（ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅおよびｆは原子パーセント）
Ｒ１は、高融点体心立方晶元素である。ＴｉとＲ１とを組み合わせることによりチタン固溶体の液相温度は２０００Ｋ〜３０００Ｋという高い温度となる。
【００１２】
Ｍ１，Ｍ２およびＭ３は、チタンと共晶反応を起こす元素であり、周期律表にしたがってこのように３つに仕分けしている。共晶反応を起こす組成での融点は、１０００Ｋ〜１５００Ｋという低い温度である。また、これら３つの元素を同時に添加すると、金属組織はきわめて微細になる。
【００１３】
以上のＲ１と（Ｍ１，Ｍ２およびＭ３）を組み合わせたことにより、図１に示したチタン合金の状態図において、温度差（Ｔl−Ｔe）はきわめて大きな値となる。上記（１）式で示される組成を持つ合金を液体状態から冷却すると、図２の模式図に示したように、１）温度Ｔl付近で、まず、Ｒ１元素が析出し、デンドライトが形成される。２）冷却にと
もなって、温度Ｔeまでの間にデンドライトがさらに形成され、成長し、残湯を囲みこむ
ようになる。３）温度Ｔeより下がると、囲み込まれた残存溶湯は固体になるが、このと
きに体積収縮を起こし、空孔が形成される。体積収縮量は、次式（２）で示される。
【００１４】
体積収縮量∝α（Ｔl−Ｔe）Ｖ＋ΔＶL-S          （２）
ここで、αは残存溶湯の熱収縮係数、Ｖは残存溶湯の体積、ΔＶL-Sは残存溶湯の液体
から固体への変態に際しての体積収縮である。（Ｔl−Ｔe）は１０００Ｋ〜２０００Ｋと大きな温度範囲を取るので、上記１）〜３）に記載された機構によって形成される空孔は、きわめて大きな寸法を持つ。また、このような体積収縮にともなう空孔は、デンドライトにより取り囲まれているので、空孔の寸法および分布は、合金中のデンドライトの形態、寸法および体積率に大きく依存する。
【００１５】
このように、本願発明のポーラスチタン合金は、Ｒ１と（Ｍ１，Ｍ２およびＭ３）とを組み合わせたことで（Ｔl−Ｔe）の値を大きく取り、空孔の形成をｉｎ−ｓｉｔｕで容易にしたものである。ポーラス構造は、合金の組成や冷却速度を変えることにより調整することができ、制御することも可能である。たとえば組成を変えることにより空孔率を変化させることができる。また、組成と冷却速度を変えることにより、空孔の寸法と分布を変化させることが可能である。
【００１６】
本願発明のポーラスチタン合金の機械的性質は、従来の方法で作製されるポーラスチタン合金の機械的性質より優れる。降伏強さは５００ＭＰａ〜１５００ＭＰａである。圧縮試験化での塑性歪みは３％〜５０％である。引張り強さは３００ＭＰａ〜８００ＭＰａである。そして、ヤング率は３０ＧＰａ〜９０ＧＰａの範囲に調整される。したがって、本願発明のポーラスチタン合金は、人工骨等の硬組織代替材料に特に適している。
【００１７】
なお、組成が前記（１）式からはずれると、十分な体積率の空孔が得られず、必要な機械的性質が得られない。
【発明の効果】
【００１８】
本願発明のポーラスチタン合金によれば、機械的性質に優れたポーラスチタン合金が容易に得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
【実施例１】
【００２０】
（Ｔｉ45Ｃｕ25Ｎｉ23Ｓｎ7）0.6（Ｔｉ75Ｎｂ25）0.4の組成を持つチタン合金を銅製
鋳型に鋳込んで製造した。図３は、得られたチタン合金のポーラス構造を示している。空孔の体積率は約７％であった。このポーラスチタン合金は、圧縮試験に際して８００ＫＰａの降伏強さ、３％の塑性歪みを示した。圧縮試験の際の応力−歪み曲線の傾きからヤング率を求めた。ヤング率は約８０ＧＰａであった。
【実施例２】
【００２１】
（Ｔｉ40Ｃｕ28Ｎｉ24Ｓｎ8）0.5（Ｔｉ80Ｍｏ20）0.5の組成を持つチタン合金を銅製
鋳型に鋳込んで製造した。図４（ａ）（ｂ）は、得られたチタン合金のポーラス構造を示している。図４（ａ）はポーラス金属組織を示したものであり、図４（ｂ）は、デンドライトおよびデンドライト間の空孔の詳細を示したものである。空孔の体積率は約３５％であった。このポーラスチタン合金は、圧縮試験に際して４００ＭＰａの降伏強さ、１０％の塑性歪みを示した。ヤング率は約５３ＧＰａであった。
【実施例３】
【００２２】
（Ｔｉ70Ｃｕ3Ｎｉ10Ｓｎ17）0.3（Ｔｉ54Ｔａ46）0.7の組成を持つチタン合金を、水
冷銅ハース上においてアルゴン雰囲気下でアーク溶解により溶製した。図５は、得られたチタン合金のポーラス構造を示している。空孔の体積率は約４０％であった。このポーラスチタン合金は、圧縮試験に際して３００ＭＰａの降伏強さ、５０％の塑性歪みを示した。ヤング率は約４０ＧＰａであった。
【００２３】
もちろん、本願発明は、以上の実施例によって限定されるものではない。組成、製造方法等の細部については様々な態様が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００２４】
以上詳しく説明したとおり、本願発明によって、高強度、低ヤング率の生体用素材としての適用が有望視されるポーラスチタン合金が容易に得られる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】ポーラスチタン合金の組成と温度との関係を示した状態図である。
【図２】ポーラスチタン合金におけるポーラス構造の形成過程を示した模式図である。
【図３】実施例１で得られた（Ｔｉ45Ｃｕ25Ｎｉ23Ｓｎ7）0.6（Ｔｉ75Ｎｂ25）0.4合金のポーラス構造を示した電子顕微鏡写真である。
【図４】（ａ）（ｂ）は、それぞれ、実施例２で得られた（Ｔｉ40Ｃｕ28Ｎｉ24Ｓｎ8）0.5（Ｔｉ80Ｍｏ20）0.5合金のポーラス構造を示した電子顕微鏡写真である。（ａ）はポーラス金属組織を、（ｂ）はデンドライトおよびデンドライト間の空孔の詳細を示している。
【図５】実施例３で得られた（Ｔｉ70Ｃｕ3Ｎｉ10Ｓｎ17）0.3（Ｔｉ54Ｔａ46）0.7合金のポーラス構造を示した電子顕微鏡写真である。
【図１】
2006083444.tif 000003
【図２】
2006083444.tif 000004
【図３】
2006083444.tif 000005
【図４】
2006083444.tif 000006
【図５】
2006083444.tif 000007